Static noise margin analysis for CMOS logic cells in near-threshold

Abstract

The advancement of semiconductor technology enabled the fabrication of devices with faster switching activity and chips with higher integration density. However, these advances are facing new impediments related to energy and power dissipation. Besides, the increasing demand for portable devices leads the circuit design paradigm to prioritize energy efficiency instead of performance. Altogether, this scenario motivates engineers towards reducing the supply voltage to the near and subthreshold regime to increase the lifespan of battery-powered devices. Even though operating in these regime offer interesting energy-frequency trade-offs, it brings challenges concerning noise tolerance. As the supply voltage reduces, the available noise margins decrease, and circuits become more prone to functional failures. In addition, near and subthreshold circuits are more susceptible to manufacturing variability, hence further aggravating noise issues. Other issues, such as wire minimization and gate fan-out, also contribute to the relevance of evaluating the noise margin of circuits early in the design Accordingly, this work investigates how to improve the static noise margin of digital synchronous circuits that will operate at the near/subthreshold regime. This investigation produces a set of three original contributions. The first is an automated tool to estimate the static noise margin of CMOS combinational cells. The second contribution is a realistic static noise margin estimation methodology that considers process-voltage-temperature variations. Results show that the proposed methodology allows to reduce up to 70% of the static noise margin pessimism. Finally, the third contribution is the noise-aware cell design methodology and the inclusion of a noise evaluation of complex circuits during the logic synthesis. The resulting library achieved higher static noise margin (up to 24%) and less spread among different cells (up to 62%).

Os avanços na tecnologia de semicondutores possibilitou que se fabricasse dispositivos com atividade de chaveamento mais rápida e com maior capacidade de integração de transistores. Estes avanços, todavia, impuseram novos empecilhos relacionados com a dissipação de potência e energia. Além disso, a crescente demanda por dispositivos portáteis levaram à uma mudança no paradigma de projeto de circuitos para que se priorize energia ao invés de desempenho. Este cenário motivou à reduzir a tensão de alimentação com qual os dispositivos operam para um regime próximo ou abaixo da tensão de limiar, com o objetivo de aumentar sua duração de bateria. Apesar desta abordagem balancear características de performance e energia, ela traz novos desafios com relação a tolerância à ruído. Ao reduzirmos a tensão de alimentação, também reduz-se a margem de ruído disponível e, assim, os circuitos tornam-se mais suscetíveis à falhas funcionais. Somado à este efeito, circuitos com tensões de alimentação nestes regimes são mais sensíveis à variações do processo de fabricação, logo agravando problemas com ruído. Existem também outros aspectos, tais como a miniaturização das interconexões e a relação de fan-out de uma célula digital, que incentivam a avaliação de ruído nas fases iniciais do projeto de circuitos integrados Por estes motivos, este trabalho investiga como aprimorar a margem de ruído estática de circuitos síncronos digitais que irão operar em tensões no regime de tensão próximo ou abaixo do limiar. Esta investigação produz um conjunto de três contribuições originais. A primeira é uma ferramenta capaz de avaliar automaticamente a margem de ruído estática de células CMOS combinacionais. A segunda contribuição é uma metodologia realista para estimar a margem de ruído estática considerando variações de processo, tensão e temperatura. Os resultados obtidos mostram que a metodologia proposta permitiu reduzir até 70% do pessimismo das margens de ruído estática, Por último, a terceira contribuição é um fluxo de projeto de células combinacionais digitais considerando ruído, e uma abordagem para avaliar a margem de ruído estática de circuitos complexos durante a etapa de síntese lógica. A biblioteca de células resultante deste fluxo obteve maior margem de ruído (até 24%) e menor variação entre diferentes células (até 62%).